航天用安装铜导线熔断特性研究

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1、第30卷第4期航天器环境工程2013年8月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING407航天用安装铜导线熔断特性研究陈雁，张伟(中国空间技术研究院宇航物资保障事业部，北京100029)摘要：文章研究了航天用安装铜导线的熔断特性与其过载电流的对应关系。首先通过物理模型获得铜导线的理论熔断特性曲线；再结合航天的实际使用条件，采用shootingMethod以及最小方差法对物理模型进行修正，获得等效热传导系数k值；建立与k值相关的熔断特性曲线，给出导线在大气环境和真空环境下长期通电不发生熔断的最大电流

2、密度值。研究结果可为安全使用安装导线提供参考。关键词：铜导线；过载电流；熔断特性中图分类号：TGl46．1+1文献标志码：ADOI：10．3969／j．issn．1673-1379．2013．04．0130引言在航天器研制过程中，多次发生因为电连接器插接错误或导线绝缘皮损伤导致导线承受过电应力而烧毁的故障。导线烧毁问题在世界航空航天领域是共性问题，如NASA就发表过关于导线烧毁的研究报告，资助了研究导线绝缘层烧毁特性的飞行实验项目【l之J。王明灼等13J给出了在理想条件下金属导线熔断的物理模型。该模型可以较好地表征在大

3、气环境或真空环境下单根、均匀直径的铜丝的熔断特性。然而实际应用中的导线往往是多股铜丝绞合使用，且外层套有聚四氟乙烯保护层。本文将在铜丝熔断理想模型基础之上，引入铜丝对周围媒介的热传导系数，对铜导线的实际熔断特性开展研究。1铜丝熔断特性理论研究在理想的铜丝熔断模型中，主要考虑铜丝在通电过程中积累热量，当局部热量积累达到一定程度发生熔融，熔融局部铜丝由于重力脱离周围铜丝即发生熔断。其中，铜丝获得的电能所提供的能量使其温度升高，同时要考虑热辐射和热传导、对流造成的能量损失，此外，还要考虑金属丝的电阻随温度升高而增大等相关影响

4、因素。但是当金属丝熔断时间较短时，可以忽略金属丝文章编号：1673—1379(2013)04一0407—04热辐射所散失的热量，假设经过金属丝热传导损失的热量为Ql；金属丝达到熔断时的热容热量为Q；金属丝熔断热量为Q3：电能提供金属丝温升的热量为Qpj。1．1热传导损失的热量的计算热传导损失的总热量Q·应为铜丝自身的热传导损失的热量Ql7和铜丝通过周围媒介热传导热量Qt”之和。Q·7根据傅里叶热传导定律H进行计算，翻=鬻∞3+≥×毫艄司式中：K为玻耳兹曼常量；g为自由电子电量；po是20℃时的铜丝电阻率；仅为铜丝电阻温

5、度系数；丁为铜丝熔断时的摄氏温度；％为环境的摄氏温度；三为铜丝长度；d为铜丝直径。g：2pQ：塑婴笋!r化(V戤一瓦)出：哦∥(孚一瓦)，(2)其中‰为金属丝周围媒介的热传导系数(在本文模型中，该系数通过具体试验拟合获得)。上式中温度梯度为v丁：坚：盟：里堡二墨。f31收稿日期：2013．06．28；修回日期：2013—07．24基金项目：中国空问技术研究院宇航物资保障事业部自主研发课题作者简介：陈雁(1963一)，女，高级工程师，主要从事元器件可靠性分析工作。E．mail：chyn902@sina．com。航天器环境

6、工程第30卷1．2铜丝熔断时的热晷热量的计算设铜丝的比热容为c，密度为p’，在x(0

7、}-：』!弓翌兰孝七·。(5)1．4电源提供热量的计算由于铜丝的电阻随温度升高而增大，R项f)，设铜丝的温度系数为oc，出长的铜丝的电阻为衄=岛(·

8、瑚)等=筹m(VA-273)k(6)铜丝在熔点以下任意温度的电阻为聊闩肚=参M≯273]]，(7，电源提供铜丝的总热量为Q=Q·+Q2+Q3，所以电流与熔断时间的关系为卜√警，(0≤吒≤K)，(8)、JR(f矿、4叫‘寺、／紫户2，∽其中：S为铜丝的截面积；fd为铜丝所承载的电流密度。1．5对实际应用中多芯铜线的公式修正式(9)给出了一定长度的铜丝在一定条件下所能承载的电流密度，描述了铜丝在一定媒介下的熔断特性。包裹有绝缘层的导线在一定载流量下持续运行时，铜导体、绝缘层等组成部分都将产生损耗、发出热量而形成稳态温度场【

9、5】，铜丝与周围媒介之间的热传导热量Ql”需要进行修正。尤其在包裹有绝缘材料的大气环境下，主要通过对等效热传导系数岛进行修正体现。由于模型的复杂性，岛一般通过试验获得。如图l所示，在多芯铜丝模型中，对于每根铜丝而言，其周围的散热环境已经由真空变化为发热的铜丝，热传导系数已经发生了变化。图1多芯导线模型示意图Fig．1Schemat